Teoria filamentului glisant - Sliding filament theory
Teoria filamentului de alunecare explică mecanismul de contracție musculară pe bază de proteine musculare care glisează unul pe lângă celălalt pentru a genera mișcare. Conform teoriei filamentelor glisante, filamentele miozinei (groase) ale fibrelor musculare alunecă pe lângă filamentele de actină (subțiri) în timpul contracției musculare, în timp ce cele două grupuri de filamente rămân la o lungime relativ constantă.
A fost introdusă independent în 1954 de două echipe de cercetare, una formată din Andrew F. Huxley și Rolf Niedergerke de la Universitatea din Cambridge , iar cealaltă formată din Hugh Huxley și Jean Hanson de la Massachusetts Institute of Technology . A fost conceput inițial de Hugh Huxley în 1953. Andrew Huxley și Niedergerke l-au introdus ca o ipoteză „foarte atractivă”.
Înainte de anii 1950, existau mai multe teorii concurente privind contracția musculară, inclusiv atracția electrică, plierea proteinelor și modificarea proteinelor. Noua teorie a introdus direct un nou concept numit teoria punților încrucișate (punte încrucișată în mod clasic, acum denumită în cea mai mare parte ( ciclul punților încrucișate ) care explică mecanismul molecular al filamentului glisant. Teoria punților încrucișate afirmă că actina și miozina formează un complex proteic (numit în mod clasic actomiozină ) prin atașarea capului miozinei pe filamentul de actină, formând astfel un fel de punte încrucișată între cele două filamente. Teoria filamentului glisant este o explicație larg acceptată a mecanismului care stă la baza contracției musculare.
Istorie
Lucrări timpurii
Prima proteină musculară descoperită a fost miozina de către un om de știință german Willy Kühne , care a extras-o și a numit-o în 1864. În 1939 o echipă rusă de soți și soții Vladimir Alexandrovich Engelhardt și Militsa Nikolaevna Lyubimova au descoperit că mioza avea o proprietate enzimatică (numită ATPază ) care poate defalcare ATP pentru a elibera energie. Albert Szent-Györgyi , fiziolog maghiar, și-a concentrat atenția asupra fiziologiei musculare după ce a câștigat Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină în 1937 pentru lucrările sale despre vitamina C și acidul fumaric . El a demonstrat în 1942 că ATP este sursa de energie pentru contracția musculară. De fapt, el a observat că fibrele musculare care conțin miozina B s-au scurtat în prezența ATP, dar nu și cu miozina A, experiență pe care a descris-o ulterior drept „probabil cel mai palpitant moment din viața mea”. Cu Brunó Ferenc Straub , el a descoperit curând că mioza B era asociată cu o altă proteină, pe care o numeau actină, în timp ce mioza A nu. Straub a purificat actina în 1942, iar Szent-Györgyi a purificat mioza A în 1943. A devenit evident că miozina B a fost o combinație de miozină A și actină, astfel încât miozina A a păstrat numele original, în timp ce ei au redenumit mioza B ca actomiozină. La sfârșitul anilor 1940, echipa lui Szent-Györgyi postulase cu dovezi că contracția actomiozinei era echivalentă cu contracția musculară în ansamblu. Dar noțiunea a fost, în general, opusă, chiar și de la premii Nobel, cum ar fi Otto Fritz Meyerhof și Archibald Hill , care au aderat la dogma predominantă că miozina este o proteină structurală și nu o enzimă funcțională. Cu toate acestea, într-una dintre ultimele sale contribuții la cercetarea musculară, Szent-Györgyi a demonstrat că actomiozina condusă de ATP era principiul de bază al contracției musculare.
Origine
Când Hugh Huxley și-a obținut doctoratul la Universitatea din Cambridge în 1952 cu privire la cercetările sale asupra structurii mușchilor, Szent-Györgyi și-a transformat cariera în cercetarea cancerului. Huxley a mers la laboratorul lui Francis O. Schmitt la Massachusetts Institute of Technology cu o bursă post-doctorală în septembrie 1952, unde i s-a alăturat un alt coleg post-doctoral englez Jean Hanson în ianuarie 1953. Hanson a fost doctor în structura musculară de la King's College, Londra, în 1951. Huxley folosise difracția cu raze X pentru a specula că proteinele musculare, în special miozina, formează filamente structurate care dau naștere sarcomerului (un segment de fibre musculare). Scopul lor principal a fost de a folosi microscopia electronică pentru a studia detaliile acelor filamente, așa cum nu s-a mai făcut până acum. Curând au descoperit și confirmat natura filamentului proteinelor musculare. Miozina și actina formează filamente suprapuse, filamentele de miozină constituind în principal banda A (regiunea întunecată a unui sarcomer), în timp ce filamentele de actină traversează atât benzile A, cât și cele I (regiunea luminoasă). Huxley a fost primul care a sugerat teoria filamentului glisant în 1953, afirmând:
„… [I] dacă se postulează că întinderea mușchiului are loc, nu printr-o extensie a filamentelor, ci printr-un proces în care cele două seturi de filamente alunecă [accent adăugat] unul lângă altul; extensibilitatea va fi apoi inhibată dacă mioza și actina sunt legate între ele. "
Mai târziu, în 1996, Huxley a regretat că ar fi trebuit să-l includă pe Hanson în formularea teoriei sale, deoarece se baza pe munca lor de colaborare.
Andrew Huxley , pe care Alan Hodgkin l-a descris drept „vrăjitor cu aparat științific”, tocmai descoperise mecanismul transmiterii impulsului nervos ( potențial de acțiune ) (pentru care el și Hodgkin au câștigat ulterior Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină în 1963) în 1949 folosind propriul său design al clemei de tensiune și căuta un asociat care să poată diseca în mod corespunzător fibrele musculare. La recomandarea unui prieten apropiat Robert Stämpfli, un medic german Rolf Niedergerke i s-a alăturat la Universitatea din Cambridge în 1952. Până atunci și-a dat seama că microscopul cu contrast de fază utilizat convențional nu era potrivit pentru structurile fine ale fibrelor musculare și, astfel, și-a dezvoltat microscop propriu de interferență . Între martie 1953 și ianuarie 1954 și-au executat cercetările. Huxley și-a amintit că la acea vreme singura persoană care s-a gândit vreodată să alunece filamente înainte de 1953 a fost Dorothy Hodgkin (ulterior câștigătoare a Premiului Nobel pentru chimie din 1964 ). A petrecut vara anului 1953 la Marine Biological Laboratory din Woods Hole, Massachusetts, pentru a folosi microscopul electronic acolo. Acolo i-a cunoscut pe Hugh Huxley și Hanson cu care a împărtășit date și informații despre lucrările lor. S-au despărțit de un acord că vor ține legătura și, atunci când scopul lor va fi atins, vor publica împreună, dacă ar fi ajuns vreodată la „concluzii similare”.
Teoria filamentului glisant
Teoria filamentului alunecător s-a născut din două lucrări consecutive publicate pe numărul Nature din 22 mai 1954 sub tema comună „Modificări structurale ale musculaturii în timpul contracției”. Deși concluziile lor au fost fundamental similare, datele experimentale și propunerile lor de bază au fost diferite.
Ipoteza Huxley-Niedergerke
Prima lucrare, scrisă de Andrew Huxley și Rolf Niedergerke, este intitulată „Microscopie de interferență a fibrelor musculare vii”. S-a bazat pe studiul lor asupra mușchilor broaștei folosind microscopul de interferență, pe care Andrew Huxley l-a dezvoltat în acest scop. Dupa parerea lor:
- benzile I sunt compuse din filamente de actină, iar benzile A în principal din filamente de miozină; și
- în timpul contracției, filamentele de actină se deplasează în benzile A dintre filamentele de miozină.
Ipoteza Huxley-Hanson
A doua lucrare, de Hugh Huxley și Jean Hanson, este intitulată „Modificări ale striațiilor încrucișate ale mușchilor în timpul contracției și întinderii și interpretarea lor structurală”. Este mai elaborat și s-a bazat pe studiul lor asupra mușchiului de iepure folosind contrast de fază și microscopuri electronice. Dupa parerea lor:
- coloana vertebrală a unei fibre musculare este filamentele de actină care se extind de la linia Z până la un capăt al zonei H, unde sunt atașate la o componentă elastică pe care au numit-o filament S;
- filamentele de miozină se extind de la un capăt al benzii A prin zona H până la celălalt capăt al benzii A;
- filamentele de miozină rămân în lungime relativ constantă în timpul întinderii sau contracției musculare;
- dacă filamentele de miozină se contractă dincolo de lungimea benzii A, capetele lor se pliază pentru a forma benzi de contracție;
- filamentele de miozină și actină se află unul lângă altul în banda A și în absența ATP nu formează legături încrucișate;
- în timpul întinderii, numai benzile I și zona H cresc în lungime, în timp ce benzile A rămân aceleași;
- în timpul contracției, filamentele de actină se deplasează în benzile A și zona H este umplută, benzile I se scurtează, linia Z vine în contact cu benzile A; și
- posibila forță motrice a contracției este legăturile actină-miozină care depind de hidroliza ATP de către miozină.
Recepție și consecințe
În ciuda dovezilor puternice, teoria filamentelor glisante nu a obținut niciun sprijin pentru câțiva ani de acum încolo. Szent-Györgyi însuși a refuzat să creadă că filamentele de miozină erau limitate la filamentul gros (banda A). FO Schmitt, al cărui microscop electronic a furnizat cele mai bune date, a rămas, de asemenea, sceptic față de imaginile originale. Au existat, de asemenea, argumente imediate cu privire la organizarea filamentelor, dacă cele două seturi (miozină și actină) de filamente erau doar suprapuse sau continue. Abia cu noul microscop electronic Hugh Huxley a confirmat caracterul suprapus al filamentelor în 1957. Tot din această publicație s-a arătat clar existența legăturii actină-miozină (numită acum punte încrucișată). Dar a mai durat încă cinci ani pentru a oferi dovezi că puntea încrucișată a fost o interacțiune dinamică între filamentele de actină și miozină. El a obținut aranjamentul molecular real al filamentelor folosind cristalografia cu raze X, făcând echipă cu Kenneth Holmes , care a fost instruit de Rosalind Franklin , în 1965. Abia după o conferință din 1972 la Cold Spring Harbor Laboratory , unde teoria și au fost deliberate probe, că acestea au devenit în general acceptate. La conferință, după cum și-a amintit mai târziu Koscak Maruyama, Hanson a trebuit să răspundă criticilor strigând: „Știu că nu pot explica mecanismul încă, dar alunecarea este un fapt”. Dovezile de fapt au venit la începutul anilor 1980, când s-a putut demonstra mișcarea de alunecare reală folosind noi instrumente sofisticate de către diferiți cercetători.
Mecanism de punte transversală
Cu dovezi substanțiale, Hugh Huxley a propus în mod oficial mecanismul de alunecare a filamentului și se numește în mod diferit modelul de punte transversală oscilantă, teoria punților transversale sau modelul de punte transversală. (El însuși a preferat denumirea de „model swinging crossbridge”, pentru că, după cum și-a amintit, „[descoperirea] a fost, până la urmă, anii 1960”.) Și-a publicat teoria în numărul din 20 iunie 1969 al Științei sub titlul „ Mecanismul contracției musculare ". Conform teoriei sale, alunecarea filamentului are loc prin atașarea ciclică și detașarea miozinei pe filamentele de actină. Contracția apare atunci când miozina trage filamentul de actină spre centrul benzii A, se detașează de actină și creează o forță (accident vascular cerebral) pentru a se lega de următoarea moleculă de actină. Această idee a fost ulterior dovedită în detaliu și este mai bine cunoscută sub numele de ciclul de punte transversală .